Разработка грунта в карьере, транспортирование и укладка его в тело плотины

Места для карьеров выбирают на основе инженерно-геологических изысканий, с учетом минимальных затрат на вскрышные работы. Для уменьшения затрат на перемещение грунта карьеры желательно располагать возможно ближе к плотине.

Карьеры обычно закладывают в зоне нижнего бьефа на расстоянии от подошвы плотины не менее 50 м, чтобы не нарушить устойчивости низового откоса. Устройство карьеров допускается и в зоне верхнего бьефа по склонами, но при этом наиболее низкая отметка в забое должна быть выше уровня воды в водохранилище во избежание фильтрации воды через вскрытые слои карьера.

Отметки забоя в карьере целесообразно принимать такие, которые давали бы минимальную разность высот по пути движения транспорта при доставке грунта к месту укладки.

Для предотвращения затопления карьера поверхностными водами, особенно если он расположен на склоне, устраивают систему нагорных канав с отводом воды из них за пределы карьера.

После окончания работ в карьере откосам его придают устойчивую форму, дну горизонтальное или слабонаклонное положение с устройством водоотводных канав, предотвращающих размыв и образование скоплений воды в карьере. В дальнейшем целесообразно использовать карьеры для культурных, промышленных и сельскохозяйственных целей.

Во всех случаях при составлении баланса земляных масс следует учитывать возможность использования грунтов из выемок водосбросного тракта (каналов, котлованов под сооружениями и пр.) для укладки в тело плотины. И только в исключительных случаях, когда грунты не удовлетворяют минимальным требованиям для возведения плотин, их вывозят и складывают в кавальеры в зоне нижнего бьефа. При использовании грунтов из выемок водосбросных трактов разработку их следует вести с учетом транспортирования грунта с низких отметок выемки на низкие отметки насыпи плотины. Несоблюдение этого условия ведет к необходимости перемещения грунта с подъемом по высоте, что отразится на темпах работ и производительности транспортных механизмов.

Для укладки в тело земляных плотин грунт доставляют: 1) непосредственно на карты укладки в плотину и 2) на участки в пределах контура плотины с последующим перемещением и распределением по телу плотины.

В первом случае грунт распределяется по телу насыпи теми же средствами, которые доставляют его. Во втором случае доставка грунта производится одними средствами, например железнодорожным транспортом, а распределение по насыпи - другими - скреперами, грейдерами и пр.

В практике возведения земляных плотин средней и малой высоты для транспорта грунта наиболее распространены автомашины самосвалы, тракторные тележки и скреперы (перемещение грунта скреперами приведено на рисунке 119). Для высоких плотин и при значительном удалении карьеров для перевозки грунта пользуются составами по железнодорожным путям нормальной и узкой колеи.

Выбор того или иного вида транспорта определяется как экономическими, так и техническими соображениями, расстоянием от карьера до плотины, высотным положением карьера, рельефом местности на пути перемещения, наличием транспортных механизмов. Только учет всех этих факторов позволит правильно подойти к выбору вида транспорта.

Ориентировочно при выборе вида транспортных средств можно воспользоваться практическим данными. Для самосвалов грузоподъемностью 3,5-10 т, наиболее распространенных при возведении


Рис.  119 Схема возведения плотины   скреперами   с   перемещением грунта из резерва:
1 - скрепер;  2 - каток;  3 - резерв  грунта

плотин малого и среднего напора, при погрузке грунта в карьере одноковшовыми экскаваторами емкостью ковша 0,25-1,25 м3 длина транспортирования от 600 до 5000 м. При перемещении грунта тракторными тележками с погрузкой одноковшовыми экскаваторами дальность возки экономически оправдывается при расстоянии не более 800 м. При скреперном перемещении грунта дальность транспортирования принимается 400-800 м, причем меньшее расстояние относится к малоемким скреперам - 2,25-2,75 м3, а большее - к скреперам с емкостью ковша до 10 м3.

В сельскохозяйственном гидротехническом строительстве значительное распространение получили скреперы. Преимущество применения этих механизмов заключается в том, что они наряду с экскавацией грунта транспортируют его, укладывают и разравнивают в насыпях земляных плотин. Насыпи, выполняемые скреперами, обходятся дешевле по сравнению с насыпями, выполняемыми другими способами, и требуют меньше рабочих.

Количество транспортных единиц для доставки грунта к плотине выбирают в зависимости от производительности землеройных машин, работающих в карьере, а количество последних определяется общими объемами земляных работ и плановыми сроками строительства.
Укладка грунта в тело плотины допускается лишь после того, как окончены все работы, связанные с подготовкой основания, и возможность дальнейших работ подтверждена актом на скрытые работы, составленным специальной комиссией.

Насыпи земляных плотин с искусственным уплотнением возводят способом продольной отсыпки грунта по всей площади плотины соответствующими по высоте слоями. Если площадь очень велика, ее разбивают на отдельные, участки – карты в пределах которых и укладывают грунт. Размеры карт назначают равновеликими из условия удобства производства работ.

В состав работ по возведению плотины входят: укладка грунта в насыпь заданными по высоте слоями, разравнивание его, выстаивание грунта для получения оптимальной влажности и уплотнение.

При способе продольной отсыпки грунт доставляется транспортными средствами на карты и равномерно распределяется по всей площади ее. Пути движения транспорта, доставляющего грунт, располагают по заранее составленным схемам, учитывают, чтобы не было пересечения груженого и порожнего потоков, а кроме того, чтобы по пути движения машины дополнительно уплотняли уложенные слои грунта. Доставленный грунт разгружают на рабочих участках - картах в виде полос, расположенных вдоль оси, после чего его разравнивают и придают слою, небольшой уклон в сторону верхнего бьефа для отвода атмосферных осадков. Разравнивание грунта производится бульдозерами, грейдерами, а при доставке скреперами - самими скреперами.

Толщина слоя грунта в насыпи зависит от типа уплотняющего механизма и степени уплотнения. Она должна быть одинаковой по всей карте.

Несоблюдение этого условия приводит к неравномерному уплотнению грунта. Поэтому нужно следить, чтобы ранее уплотненный слой представлял собой плоскость с небольшим уклоном в сторону верхнего бьефа. Контроль за правильностью отсыпки осуществляют при помощи мелкого шурфования (с замером толщины насыпанного слоя) или погружения металлического щупа в свежеуложенный слой до уплотненной поверхности предыдущего слоя; величина погружения должна быть одинаковой во всех точках.

Уплотнение грунта насыпи обеспечивает большую устойчивость плотины, минимальную осадку ее и уменьшает водопроницаемость.

Для уплотнения применяют машины статического, динамического и вибрационного действия. Для связных грунтов целесообразны машины статического действия, к числу которых относятся катки гладкие, шиповые и на пневматических шинах. Основным показателем работы катков является их вес и удельное давление на грунт, которое для шиповых катков выражается давлением, приходящимся на 1 см2 площади шипа, а для катков с гладкими вальцами и на пневмоколесном ходу - на 1 пог. см ширины вальца или протектора шины.

Прицепные шиповые катки это своего рода разновидность гладких катков, отличающихся от последних наличием на цилиндрической поверхности выступов шипов-кулачков. Эффективность уплотнения грунта катками во многом зависит от состояния их очистных приспособлений для удаления налипающего грунта. В гладких катках очистка производится сплошным металлическим ножом, расположенным по образующей цилиндра, а в шиповых катках металлическими скребками - гребенками.

По сравнению с гладкими и шиповыми катки на пневмоколесном ходу обладают рядом преимуществ, к числу которых относятся: большая продолжительность времени действия нагрузки вследствие эффекта сжатия шин; увеличенная площадь контакта шин с грунтом, благодаря чему грунт уплотняется на большую глубину; возможность регулирования передаваемого на грунт напряжения путем изменения давления воздуха в шинах. Указанные преимущества позволили каткам этого типа занять ведущее место в работах при уплотнении насыпей любого назначения.

Прицепные катки в зависимости от условий производства работ, веса катка, наличия тяговых средств и скорости передвижения работают в сцепе по схеме, приведенной на рисунке 120.


Рис. 120. Схемы сцепов катков:
1 - трактор;  2 - катки

Для уплотнения несвязных грунтов применяют катки на пневмоколесном ходу и снаряды ударного действия - трамбующие плиты и взрывотрамбовки. Уплотнение трамбующими плитами целесообразно производить при статической нагрузке плиты на грунт 0,25-0,30 кг/см2 и высоте падения 1,65-2 м. Схема уплотнения насыпи трамбующей плитой, подвешенной к стреле экскаватора, приведена на рисунке 121. Преимущество трамбующих плит  в  том,   что  они   уплотняют грунт   значительной


Рис.   121. Уплотнение грунта трамбующей плитой:
1 -ось проходки экскаватора: 2 - места стоянки экскаватора; 3 - уплотненная полоса; 4 - уплотняемая полоса; 5 - полоса перекрытия;    6 - трамбующая    плита;    7 - полосы    передвижки.

толщины и могут работать на малых участках насыпи, где уплотнение машинами поступательного движения выполнить невозможно.

Грунты, обладающие минимальной связностью и хорошей подвижностью, плохо поддаются уплотнению машинами статического действия. Для таких грунтов чаще используют машины вибрационного действия.

Ориентировочные значения толщины слоя, который принято измерять в рыхлом состоянии, уплотняемого различными механизмами, приведены в таблице 27.

В начальной стадии возведения плотин для определения оптимальных условий уплотнения грунта на малоответственных участках основания проводят опытное уплотнение, что дает возможность уточнить высоту уплотняемого слоя, количество проходов механизмов по одному следу, влажность грунта.

На уплотнение грунта существенно влияет его влажность. Та влажность, при которой достигается максимальное уплотнение при минимальной затрате работы уплотняющих механизмов, называется оптимальной. Ориентировочные значения оптимальной влажности для ряда грунтов следующие: песчаных 8-12%, супесчаных 9-14, суглинистых 12-20, глинистых 20-28%. С повышением влажности количество затрачиваемой работы на уплотнение возрастает, а при влажности, близкой к полной влагоемкости, грунт не уплотняется.

Сухой грунт для получения оптимальной влажности дополнительно увлажняют одним из двух способов. В первом случае водой из автоцистерн или каких-либо других приборов поливают поверхность уплотняемого слоя, а во втором - грунт увлажняют непосредственно в карьере. Карьерное увлажнение производят напуском воды на карты, обвалованные небольшими валиками земли, или подают воду в специально для этой цели пробуренные скважины, кроме того, используют разбрызгиватели, присоединенные к водопроводным трубам.

Увлажнение грунта в карьере позволяет получить равномерное смачивание всего грунта, облегчить разработку его и увеличить фронт работ на месте укладки грунта. Поэтому, если грунт можно увлажнять в карьере, этот способ и следует применять.

Более точное регулирование влажности грунта получается при комбинированном способе: предварительно грунт замачивают в карьере, а на месте укладки дают дополнительный полив.

В тех случаях, когда уплотняемые слои грунта на карте имеют повышенную влажность, его подсушивают с помощью естественного испарения. Время, необходимое для подсушки, устанавливают при проведении опытного увлажнения или по данным грунтовой лаборатории на уплотняемых слоях.

Показателем достаточности уплотнения является сравнение фактического объемного веса скелета грунта с контрольным объемным весом, устанавливаемым проектом.

Пробы грунта берут по всей уплотняемой площади по заранее разбитым поперечникам. Если по данным полевой лаборатории окажется, что грунт имеет объемный вес скелета меньше контрольного, то соответствующий участок нужно дополнительно уплотнить. Точно так же, если влажность грунта окажется менее оптимальной, грунт дополнительно увлажняют, а если больше - подсушивают.

Чтобы обеспечить монолитность насыпи и более плотное соединение укладываемых слоев грунта, поверхность нижнего уплотненного слоя перед укладкой на него следующего разрыхляют.

Для предотвращения образования в поперечном направлении плотины сквозных гладких поверхностей, получающихся после уплотнения, а также исходя из удобств производства работ, направление движения уплотняющих механизмов назначают вдоль продольной оси плотины. Уплотнение катками ведут с перекрытием полос на ширину 15-20 см, причем первая полоса укатки расположена со стороны откосов, а каток движется по кольцевой системе.

В плотинах небольшой длины, где поворот машины невозможен, применяют челночную схему движения катков. В этом случае тяговый механизм в конце участка отцепляют от катка и прикрепляют к нему с другой стороны. Не уплотненные катками участки насыпи в примыкании к берегам уплотняют другими средствами, например трамбующими плитами.

Особое внимание следует уделять уплотнению грунта в траншеях под зуб и в примыканиях к бетонным сооружениям. На этих участках зачастую, вследствие их малой ширины, применение катков невозможно. Уплотняют такие участки трамбовочными механизмами, а в отдельных случаях ручным трамбованием.

Откосы в траншеях, а также в любых других выемках, включая и котлованы под различные сооружения, выполняют более крутыми по сравнению с откосами, применяемыми в эксплуатационных условиях. Необходимый коэффициент заложения при наличии благоприятных гидрологических условий (естественной влажности, однородности сложения грунтов и отсутствии грунтовых вод) можно принять по таблице 28.

При глубине  выемок  свыше  5  м крутизну  откосов проверяют на основе расчетов. Грунт, вынутый из котлованов и траншей, если он не перемещается в кавальеры, укладывают за пределами призмы обрушения.

При использовании катков, работающих по горизонтальным поверхностям, обеспечить уплотнение полос, примыкающих к откосам, практически невозможно. В силу этого насыпь тела плотины приходится расширять против проектных размеров для последующей срезки неуплотненного слоя грунта на поверхности откоса.

Для контроля за уплотнением грунта в теле насыпи существует ряд методов: режущих колец, динамического зондирования, электроемкостный, УкрДОРНИИ, НИИМосстроя, радиоактивных изотопов и др. Каждый из указанных методов имеет свои достоинства, недостатки и ограничения в применении, исходя из разновидностей грунтов и их состояния.

При отсыпке земляных плотин с послойным уплотнением большое распространение имеет метод режущих колец, являющийся наиболее универсальным методом для любых видов грунтов. Контроль за уплотнением грунта при этом методе производится путем сравнения объемного веса скелета грунта, взятого из уплотняемой насыпи, с плотностью грунта, заданного в проекте. Несмотря на простоту и доступность, метод имеет существенный недостаток, так как показатель плотности получается в лабораторных условиях с большим опозданием с момента взятия пробы, и как следствие этого исключается оперативность производственного процесса по регулированию уплотнения на рассматриваемом участке. Кроме того, метод режущих колец для взятия проб требует устройства шурфов на участках уплотнения (чем затрудняет движение механизмов) и последующей тщательной заделки шурфов ручным способом.

Для насыпей из песчано-гравийных смесей метод режущих колец неприменим, так как не дает возможности взять пробу с ненарушенной структурой грунта. В таких грунтах контроль за уплотнением осуществляют методом засыпки лунок сухим песком. Для этого выкапывают лунку диаметром около 20 см и высотой 10-15 см, грунт из которой взвешивают с точностью до 5 г. После этого лунку засыпают песком, объем которого определяют мерными    сосудами    в    процессе    заполнения    лунки.

Частное от деления веса извлеченного из лунки грунта на замеренный объем песка дает объемный вес влажного грунта. Затем по стандартному методу определяют влажность грунта, после чего вычисляют объемный вес скелета грунта и сравнивают с проектным.

Другие методы быстрее упомянутых дают требуемые показатели, но чаще применимы лишь для несвязных грунтов. Определение по приборам требует их тщательной тарировки для каждой разновидности грунта.

Перспективным является метод радиоактивных изотопов, в котором для измерения плотности используется явление рассеяния гамма-лучей при прохождении их через грунт. К сожалению, приходится отметить, что таких приборов выпускается пока мало и стоимость их высока.